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FÍSICA GENERALFac. Cs. Exactas - UNCPBA

Cursada 2019

CátedraTeoría/Práctica (Comisión 1):

Prof. Olga GarbelliniDr. Fernando Lanzini

Teoría/Práctica (Comisión 2):Dr. Marcos ChaparroDr. Héctor García

Clases de Laboratorio:Dra. Carolina MariéDr. Pablo RavazzoliLic. Pablo CorreaIng. Sebastián JodraSr. Ignacio Papuccio

Página webhttp://users.exa.unicen.edu.ar/catedras/fisicagl/index.html

Mail de [email protected]

Nota importante:En este documento se presentan las diapositivas proyectadas durante las clases teóricas. El material no pretende ser riguroso, ni tampoco es completo, ya que no incluye todos los contenidos dados en clase. Se pone a disposición de los estudiantes como material de estudio suplementario. Para tratamientos detallados de los diferentes temas, se recomienda acudir a la bibliografía sugerida en la página web de la cátedra.

F. LanziniAgosto 2019

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CINEMÁTICA Rama de la Física que estudia el movimiento de los objetos

Física General 2

En clases anteriores …

Ahora …

DINÁMICA Rama de la Física que estudia las causas del movimiento de los objetos

Magnitud escalar que expresa la cantidad de materia que posee un

cuerpo

Y que NUNCA, pero NUNCA, debemos

confundir con el peso, que es otra cosa

Ya lo veremos

Física General 3

LAS LEYES DE NEWTON(I. Newton, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, 1687)

• Son principios no se deducen de postulados anteriores se pueden comprobar (o refutar) experimentalmente

• Límites de validez (ahora se sabe que no siempre son correctas) Relatividad (altas velocidades, grandes masas)Mecánica cuántica (tamaños muy pequeños) Caos

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LAS LEYES DE NEWTON(I. Newton, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, 1687)

Otra manera de formular la primera ley: “Si la fuerza neta que actúa sobre un cuerpo es cero, el cuerpo permanecerá en reposo o en movimiento con velocidad constante” (Resnick, Halliday y Krane, ver bibliografía)

PRIMERA LEY: Ley de Inercia

“Todo cuerpo permanece en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas que actúan sobre él”

Observaciones:La tendencia de los cuerpos es

(a) permanecer en reposo o (b) moverse con MRU ¿Es intuitivo?

Lo del reposo, sí. Lo del MRU, no.Los griegos (Aristóteles) creían que para mantener un MRU había que aplicar una fuerza, y que cuando se quitaba la fuerza el cuerpo se detenía (wrong)

La presencia de fuerzas es una condición necesaria pero no suficiente para que el

cuerpo abandone el reposo o el MRU

Si hay varias fuerzas aplicadas que se anulan mutuamente, es como si no

hubiera ninguna

De lo anterior, parece razonable vincular el concepto de fuerza con el de aceleración, lo que nos lleva a …

Física General 5

SEGUNDA LEY: Ley Fundamental de la Dinámica

Para un cuerpo cuya masa permanece constante:

Observaciones:

Es una igualdad vectorial, puede corresponder a 1, 2 o 3 igualdades escalares

Por ej, en 3D:

El tema de las unidades:En el SI

En otros sistemas: [dina]= [g· cm/s2] (CGS)

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Ejemplo 1: Sobre un cuerpo de 5 kg se aplica una fuerza de 4 N. (a) ¿Qué aceleración adquirirá?; (b) Suponiendo que el cuerpo parte del reposo, ¿qué distancia recorrerá en 15 s?

Rta: Podemos tratarlo como un problema 1-D

(a) La suma de las fuerzas consta de una única fuerza, así que:

(b) La pregunta es sobre una distancia, así que usaremos las ecuaciones de la cinemática.

Como hay una aceleración constante, tenemos un problema de MRUV. La ecuación para la posición en función del tiempo será:

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Ejemplo 2: Un cuerpo de masa m = 2 kg se halla inicialmente en la posición (-2m; 3m) y posee una velocidad (4m/s; -2 m/s). Se aplican sobre el cuerpo las fuerzas que se muestran en la Figura. Hallar la velocidad y posición, a los 5 s de aplicadas las fuerzas.

Rta: Primero ubicamos el sistema de referencia para las fuerzas

(ya está hecho, en este caso).

Después hallamos las componentes de cada fuerza en la dirección de cada eje

(trigonometría)

En este caso:

Pregunta: ¿Por qué los signos negativos?

Realizamos la suma de fuerzas en cada eje, y aplicamos la 2da ley de Newton para encontrar las componentes de la aceleración

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Ejemplo 2 (continuación): Un cuerpo de masa m = 2 kg se halla inicialmente en la posición (-2m; 3m) y posee una velocidad (4m/s; -2 m/s). Se aplican sobre el cuerpo las fuerzas que se muestran en la Figura. Hallar la velocidad y posición, a los 5 s de

aplicadas las fuerzas.

Una vez halladas las aceleraciones, podemos encontrar la posición y la velocidad en cualquier instante posterior usando cinemática:

Reemplazo con los datos

Evalúo

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TERCERA LEY: Principio de Acción y Reacción

“Cuando un cuerpo A ejerce una fuerza sobre otro cuerpo B (acción), entonces B ejerce también una fuerza sobre A (reacción). Estas dos fuerzas siempre tienen la misma magnitud y dirección

contraria”

De AlvaroLopez12-Trabajo Propio, CC BY-SA 40

Física General 10

Ejemplo 3: Aplicación de las leyes de Newton:

Rta: Como en todos los problemas de dinámica, lo primero que debemos hacer es hallar todas las fuerzas que actúan sobre cada uno de los cuerpos del sistema. En este caso la fuerza externa F está aplicada sobre el cuerpo mA , pero parece claro que debe

haber una fuerza horizontal neta sobre el cuerpo mB porque sino éste no se acelerará.

Entonces… ¿quién o qué hace fuerza sobre mB ?

Rta: El cuerpo mA

O sea: la fuerza externa F actúa sobre el cuerpo mA y éste, a su vez, ejerce una fuerza sobre mB .

Pero, por el Principio de Acción y Reacción, si A ejerce fuerza sobre B, entonces B ejerce una fuerza de igual módulo y dirección, pero de sentido opuesto, sobre A.

Indicar la aceleración del sistema mostrado en la Figura (ambos cuerpos se mueven juntos):

FABFBA

(sigue…)

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Ejemplo 3: (continuación)

FABFBA

En este caso podemos ignorar las fuerzas verticales (pesos, normales) porque se cancelan.

Aplicando la 2da Ley de Newton para cada cuerpo en el eje x:

Para el cuerpo A: Para el cuerpo B:

Física General 12

DIAGRAMAS DE CUERPO LIBRE (DCL)

Para resolver los problemas de Dinámica es conveniente realizar los siguientes pasos:

(a) Realizar un esquema de la situación

(b) Identificar todas las fuerzas que actúan sobre cada uno de los cuerpos de interés

(c) Realizar un DCL para cada uno de los cuerpos de interés. Un DCL consiste en un boceto que incluye un sistema de eje coordenados, suponiendo que el cuerpo está en el origen de coordenadas. Sobre los ejes se dibujan los vectores que

representan a cada una de las fuerzas que aparecen sobre el cuerpo.

FABFBA

Ejemplo: Volviendo al ejemplo anterior…

… los DCL para los cuerpos mA y mB serían así:

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TIPOS DE FUERZAS MÁS USUALES:1. PESO

Esta fuerza está dirigida hacia el centro de la Tierra y su magnitud es:

donde m es la masa del cuerpo, y g es la aceleración de la gravedad. Si bien g disminuye a medida que aumenta la distancia al centro de la Tierra, tomaremos como valor promedio para todo punto cercano a la superficie, el valor:

También se suele llamar peso a la fuerza con que otros cuerpos celestes (Luna, Sol, planetas), atraen a cuerpos cercanos a su superficie. La expresión para calcular el peso es la misma que antes, aunque cada cuerpo celeste tiene un valor diferente para la aceleración de la gravedad.

Diferencia entre peso y masaEs un error muy común confundir ambos conceptos.La masa es una medida de la cantidad de materia que conforma un cuerpo. Se mide en unidades de masa (g, kg, etc.) y es una magnitud escalar. La masa de un cuerpo será la misma independientemente de en qué lugar se encuentre el cuerpo (la Tierra, laLuna, el Sol, etc.)El peso de un cuerpo indica la intensidad de la fuerza con que el cuerpo es atraído por la Tierra (u otro cuerpo de gran tamaño). Dado que es una fuerza, tiene carácter vectorial y se mide en N. El peso de un cuerpo depende de la posición del cuerpo (es decir, será distinto si el cuerpo se encuentra cercano a la Tierra, al Sol, en el espacio interestelar, etc.)

Física General 14


Ejemplo 4. ¿Qué aceleración adquirirá un cuerpo de masa m en caída libre en las proximidades de la Tierra?

Respuesta. Si bien ya sabemos la respuesta a esta pregunta porque lo vimos al estudiar Cinemática, respondamos ahora usando las leyes de la Dinámica. Hagamos un esquema y un DCL.

DCL

Planteo segunda ley de Newton

Aunque este puede parecer un ejercicio

sencillo, su resolución se basa en la equivalencia

entre la masa inercial (la que aparece en la 2da Ley

de Newton) y la masa gravitacional (la que

aparece en la fórmula del peso). Éste fue una

cuestión que desveló a los científicos durante cierto

tiempo. Ahora se sabe que ambas son equivalentes.

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Ejemplo 5. Un cuerpo pesa 490 N en la Tierra, ¿Cuál será su peso en el Sol, dónde la aceleración de la gravedad es de 274.1 m/s2?

Respuesta. Recordemos que el peso del cuerpo depende del valor de la gravedad, mientras que la masa es independiente de la misma. Por lo tanto conviene calcular m con los datos de la Tierra…

… y luego calcular el peso del mismo cuerpo en el Sol:

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TIPOS DE FUERZAS MÁS USUALES:2. NORMAL

Es una fuerza de contacto entre dos cuerpos, perpendicular al plano en que se produce el contacto

Ejemplo 6. Libro sobre mesa

La normal que ejerce la mesa sobre el libro cancela (en este caso, situación estática) a la fuerza peso con que la Tierra atrae

al libro.

A su vez, el libro ejerce una fuerza igual, y de sentido opuesto, sobre la mesa.

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Ejemplo 7. Cuerpo sobre plano inclinado

La fuerza normal es perpendicular a la superficie de contacto

En este ejemplo se ve claramente que la normal NO es la reacción al peso(error frecuente)

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Ejemplo 8. Halle la aceleración que adquirirá un cuerpo de 40 kg al ser colocado sobre un plano inclinado un ángulo de 25º sobre la horizontal (desprecie el rozamiento), e indique la normal.


Rta. En los problemas de plano inclinado conviene colocar los ejes coordenados en las direcciones paralela y perpendicular al plano. Primero dibujamos un esquema, y luego el diagrama de cuerpo libre (DCL)

Esquema

DCL

Una utilidad de los DCL es que nos permiten ver más claramente cómo

descomponer las fuerzas.

Se realiza un DCL por cada uno de los cuerpos involucrados.

Una forma de evitar errores con los signos es presuponer la dirección de la aceleración (en este caso es fácil, la aceleración ocurrirá hacia abajo del plano inclinado, flecha

gris en el DCL), y considerar positivas a todas las fuerzas que

tengan el sentido de la aceleración, y negativas las de sentido opuesto

El ángulo entre el peso y el eje de las y es igual al ángulo de

inclinación del plano (verifíquelo).

(… sigue …)

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Ejemplo 8 (continuación). Halle la aceleración que adquirirá un cuerpo de 40 kg al ser colocado sobre un plano inclinado un ángulo de 25º sobre la horizontal (desprecie el rozamiento), e indique la normal.


Y ahora planteamos la 2º Ley de Newton

Hemos elegido los ejes de forma que la aceleración del sistema quede a lo largo del eje x:

Física General20

TIPOS DE FUERZAS MÁS USUALES:3. TENSIÓN

Llamaremos así a la fuerza que actúa a través de cuerdas.

Las fuerzas de tensión actúan en la dirección de la cuerda, y hacia “adentro” de la misma (esto es porque con una cuerda se puede tirar de algo, pero no se puede empujar)

Cuerda ideal

Tiene masa despreciable

Es inextensible

Ejemplo 9. Un camión arrastra una caja mediante una cuerda.

Suponiendo que se pueda despreciar el rozamiento, las tres fuerzas que actúan sobre la caja son: peso, normal, y tensión

La función de la cuerda es transmitir la fuerza ejercida por el camión

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Ejemplo 10. Sabiendo que la fuerza aplicada sobre la caja de la izquierda es de 200 N, y despreciando el rozamiento, hallar la aceleración del sistema de la Figura.

Rta. Primero debemos identificar las fuerzas sobre cada cuerpo …

Los pesos y las normales se cancelan mutuamente. En este caso (pero casi nunca es así), las ecuaciones en el eje y no

dan información útil

El sistema se acelerará horizontalmente hacia la derecha

( … sigue… )

Física General 22


Ejemplo 10 (continúa). Sabiendo que la fuerza aplicada sobre la caja de la izquierda es de 200 N, y despreciando el rozamiento, hallar la aceleración del sistema de la Figura.

Dibujamos los DCL de c/cuerpo y planteamos 2º Ley de Newton para c/cuerpo

m3 m2 m1

Las normales pueden calcularse fácilmente (en este caso), despejando de las ecuaciones de los ejes y.

( …sigue… )

Nos queda un sistema de 6 ecuaciones con 6 incógnitas (𝑁1, 𝑁2, 𝑁3, 𝑇𝐴, 𝑇𝐵 , 𝑎)

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Ejemplo 10 (continúa). Sabiendo que la fuerza aplicada sobre la caja de la izquierda es de 200 N, y despreciando el rozamiento, hallar la aceleración del sistema de la Figura.

… y para encontrar la aceleración, una forma rápida es sumar m. a. m. las tres ecuaciones correspondientes al eje x:

+

Ejercicio: Averiguar las tensiones.

Fuerza que actúa a lo largo de la superficie de contacto entre dos sólidos, y que se opone al movimiento relativo (roce cinético) o al inicio de movimiento (roce estático).

Rozamiento

Estático

Cinético

Los cuerpos no se mueven uno con respecto al otro

Los cuerpos se mueven uno con respecto al otro

Ejemplo: Se empuja una mesa. Sobre la mesa hay una caja (Figura)

Suponiendo que la caja no se desplaza con respecto a la mesa (o sea, se mueven mesa y caja juntas)

Entre mesa y piso

Entre caja y mesa

Roce cinético

Roce estático

Roce cinético

Roce estático

TIPOS DE FUERZAS MÁS USUALES:4. FUERZA DE ROCE (entre sólidos)

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Origen microscópico de la fuerza de roce

A nivel microscópico las superficies son rugosas

Algunas propiedades de la fuerza de roce● Es paralela a la superficie de contacto

● Depende de la naturaleza de los cuerpos en contacto, y del estado de sus superficies

● El roce cinético es proporcional a la fuerza normal entre ambas superficies:

Coeficiente de roce cinético

● El máximo roce estático (antes de que se produzca desplazamiento) también es proporcional a la fuerza normal:

Coeficiente de roce estático

● El rozamiento es mayor un instante antes de que comience el movimiento que cuando ya ha comenzado:


Física General 25

Si la fuerza aplicada es pequeña el bloque no se moverá porque habrá una fuerza de roce (estático) igual y de sentido opuesto

fR

FFísica General 26


Si la fuerza aplicada es pequeña el bloque no se moverá porque habrá una fuerza de roce (estático) igual y de sentido opuesto

fR

F

fR

F

fR

F

fR

FFísica General 27


… pero si la fuerza aplicada es lo suficientemente grande, el rozamiento no podrá “resistir”, y el cuerpo comenzará a

moverse

fR

F

fR

F

fR

F

fR

F

fR

F

sN

Física General 28


fR

F

sN

fR

F

fR

F

fR

F

fR

F

fR

F

sN

Física General 29


Esa situación marca el límite entre el rozamiento estático y el dinámico

fR

F

sN

Una vez que se puso en movimiento, se podrá mover el bloque con velocidad

constante empleando una fuerza menor a la que fue necesaria para moverlo

inicialmente

fR

F

fR

F

fR

F

fR

F

fR

F

sN

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fR

F

sN

fR

F

sN

kN

fR

F

sN

roce cinetico

kN

fR

F

sN

roce estatico

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Respuesta. Dibujemos un esquema de la situación y el DCL correspondiente

(a) Planteamos la 2da Ley de Newton en cada uno de lo ejes.Estamos en una situación estática, las aceleraciones son nulas en ambos ejes

Usando (1) obtenemos el resultado pedido:

32


Respuesta. (continuación)

Finalmente, sacando factor común y cancelando las m, obtenemos el resultado pedido:

Reemplazando en (6) con (3), (4) y (5):

Física General

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Respuesta. Realizamos un esquema identificando las fuerzas y un DCL.

Planteamos la 2da Ley de Newton para cada eje

De (2):

En (1): Y llegamos al resultado pedido:

Ejemplo 13. Un bloque de masa m está sobre un plano inclinado rugoso. El ángulo de inclinación α del plano puede variarse. Si el coeficiente de rozamiento estático entre el bloque y el plano es μs, determinar para qué valor del ángulo α

el bloque comenzará a deslizar.

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TIPOS DE FUERZAS MÁS USUALES:5. FUERZA ELÁSTICA

El comportamiento elástico de un cuerpo se caracteriza por una deformación reversible al estar el cuerpo sometido a fuerzas exteriores y por la recuperación de la forma original al retirarse las mismas.

Cuando un cuerpo elástico está sometido a una deformación por un agente externo, ejerce una fuerza recuperadora proporcional a la deformación.

Por ejemplo, consideremos el caso de un resorte, que se puede idealizar como un cuerpo elástico unidimensional

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Si el resorte es comprimido, ejercerá sobre el agente externo una fuerza recuperadora tendiente a aumentar su longitud. La fuerza ejercida será mayor cuanto mayor sea la compresión.

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Ley de Hooke:

donde k es la constante elástica del resorte, y depende del diseño y del material del que está fabricado el mismo (cuanto mayor es k, más difícil de deformar es el resorte); k es siempre un número positivo.

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Ejemplo 14. Se comprime un bloque de masa m contra un resorte de constante elástica k una distancia horizontal d. Determinar con qué aceleración saldrá disparada la bolita una vez que se suelta el resorte.

Respuesta

La única fuerza horizontal es la fuerza del resorte. También hay fuerzas verticales (peso y normal) pero, en este problema, no nos interesan.

Respuesta

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Ejemplo 15. Un resorte de constante elástica k está suspendido del techo. Decidir cuánto se estirará cuando se cuelga de él un bloque de masa M.

Respuesta

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